《光纖、網(wǎng)絡、智能正弦波交流電源調壓調光控制器》項目解讀

馬禮民，葉劍輝，萬冬華

(廣州斯全德燈光有限公司，廣東 廣州 510663）

文化部科技創(chuàng)新項目《光纖、網(wǎng)絡、智能正弦波交流電源調壓調光控制器》，旨在用節(jié)能環(huán)保型綠色產品替代效率低、耗能高、干擾大的可控硅調光器產品，針對傳統(tǒng)的可控硅調壓電路存在的波形畸變以及功率開關管調壓電路存在的功耗大、電路復雜的問題，設計一種基于集成電路芯片控制技術的正弦波交流電源調壓驅動器，形成智能正弦波調光項目系列化。該項目由廣州斯全德燈光有限公司（以下簡稱“斯全德”）承擔。

1 可控硅調壓（調光）概述

1.1 可控硅調壓（調光）的技術原理

可控硅調光器多數(shù)是采用相位控制方法來實現(xiàn)調壓或調光的。相位觸發(fā)電路是交流觸發(fā)電路的一種，如圖1。此電路的原理是利用RC回路控制觸發(fā)信號的相位。當R值較小時，RC的時間常數(shù)較小，觸發(fā)信號的相移A1較小，因此，負載獲得較大的電功率；當R值較大時，RC的時間常數(shù)較大，觸發(fā)信號的相移A2較大，因此負載獲得較小的電功率。

目前使用的反向阻斷型可控硅，其閘流的特性表現(xiàn)為：當可控硅加上正向陽極電壓的同時又加上適當?shù)恼蚩刂齐妷簳r，可控硅就導通，這一導通即使在撤去門極控制電壓后仍將維持，一直到加上反向陽極電壓或陽極電流小于可控硅自身的維持電流后才關斷?？煽毓枵{光器就是利用可控硅的這一特性實現(xiàn)前沿觸發(fā)相控調壓的。在正弦波交流電過零后的某一時刻t1（或某一相位角ωt1），在可控硅控制極上加一觸發(fā)脈沖，使可控硅導通，這一導通將維持到正弦波正半周結束。因此在正弦波的正半周（即0～π區(qū)間）中，0～ωt1范圍可控硅不導通，這一范圍稱為控制角，常用α表示；而在ωt1～π間可控硅導通，這一范圍稱為導通角，常用表示。同理，在正弦波交流電的負半周，對處于反向聯(lián)接的另一個可控硅（對兩個單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅而言）在t2時刻（即相位角ωt2）施加觸發(fā)脈沖，使其導通。如此周而復始，對正弦波每半個周期控制其導通，獲得相同的導通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時間（或相位），即改變了導通角（或控制角α）的大小。導通角越大調光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述可控硅調光原理可知，調光器輸出的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波了，除非調光器處在全導通狀態(tài)，即導通角為180°（或π）。正是由于正弦波被切割、波形遭受破壞，會給電網(wǎng)帶來干擾等問題。

圖1 可控硅調光電路原理

1.2 可控硅調壓（調光）的缺陷及應對技術措施

自上世紀70年代起，可控硅調光是我國影視舞臺的主力調光設備。但近10年來，用戶一直在抱怨可控硅在調光時所產生的諧波對電源、舞臺音頻、視頻的影響，尤其是對越來越多的用電設備嚴重干擾，以至影響到電網(wǎng)的安全。由此市場上又產生了治理可控硅諧波的濾波器。濾波器的濾波效果如何且不談，單這項附加的費用成本就超過所用的可控硅調光設備之和，迫使許多新建的演播廳或劇場為達到國家對供電系統(tǒng)諧波的限制標準，不得不增加建設投資成本而采用各種治理諧波措施來達標。

在電子工業(yè)迅猛發(fā)展的今天，可控硅調壓（調光）已成為電力資源應用的一大缺陷，現(xiàn)實中大部分連接到可控硅的用電設備，可用而不能適配，在電子產品領域中，如果用電設備不能適配，是有害而且容易損壞的?？煽毓柙谡{壓期間吸收電網(wǎng)電能是非正弦的，所有非正弦吸收電網(wǎng)電能的設備，都會導致電網(wǎng)和燈光師工作環(huán)境的“污染”。

實際應用中，可控硅調壓不存在調壓輸出的工作方式，而是在一個正弦波周期內控制能量輸出時間的工作過程，輸出與輸入在相同的相位點上的電壓是一致的（加損耗），這就是極大部分用電設備不適配的原因所在（如非線性負載等）。圖2是可控硅控制與正弦波控制器輸出波形的對比圖，從中我們可以看到，智能正弦波調光器輸出在調壓（調光）過程中改變的是輸出電壓幅值，而輸出波形與輸入波形是一致的。

圖2 可控硅與正弦波調光波形對比圖

2 《光纖、網(wǎng)絡、智能正弦波交流電源調壓調光控制器》項目

2.1 項目背景

智能正弦波調光產品解決了現(xiàn)有的可控硅調壓電路存在的波形畸變以及功率開關管調壓電路存在的功耗大、電路復雜的問題，是一種基于集成電路芯片控制技術的正弦波交流電源調壓驅動器，其采用數(shù)字化的方法來實現(xiàn)正弦脈沖寬度調制技術（PWM），從而得到純正弦波的輸出波形。采用高頻調制后可獲得高質量的輸出電壓波形，抑制了高次諧波，使功率開關管（IGBT）損耗減小，由此提高了系統(tǒng)的工作性能。

智能正弦波調光是替代舞臺可控硅調光的革命性產品，其無波形畸變，可控性強、節(jié)能環(huán)保等先進性是影視舞臺調光系統(tǒng)更新?lián)Q代的理想產品。目前進口智能正弦波調光器價格昂貴，成本高已成為進口產品的推廣障礙，這是近十年來舞臺燈光界最糾結的事，一方面舞臺演藝與影視事業(yè)突飛猛進，可控硅所產生的諧波對電網(wǎng)污染逾發(fā)嚴重，而節(jié)能與綠色照明的呼聲又越來越高。

隨著LED燈具的逐步普及應用，更少的調光回路呼喚高品質的產品；越來越多的工程案例證明，智能正弦波調光是替代可控硅的革命性產品和專業(yè)用戶理想的選擇。研發(fā)擁有國內自主知識產權的舞臺智能正弦波調光器，就能大大降低產品價格，讓最普通的廣大用戶都能承受，真正做到“好東西還用得起”，這是專業(yè)燈光公司的職責，也是“斯全德”對市場的定位。

2.2 項目研發(fā)概況

經(jīng)過幾年時間的探索、研發(fā)、試產、檢測和試用，“斯全德”于2009年推出了藍盾ST600調光控制器，這是智能正弦波調光柜的雛形，在充分聽取業(yè)內的建議后，于2010年5月推出改進后的產品。2010年，文化部正式批準立項——科技攻關計劃項目：《光纖/網(wǎng)絡/智能/正弦波交流電源調壓調光控制器》（項目編號：5-2010）為“斯全德”獨立研究開發(fā)的項目課題，對藍盾ST600調光控制器進行了大幅度的技術革新與升級，該項目于2012年5月順利通過驗收。

2.3 項目技術特點

用智能正弦波調光技術取代可控硅調光，降低對周圍環(huán)境中的音視頻設備產生的電磁干擾，解決諧波對電網(wǎng)的危害。這是該項目的設計理念。

本項目是一款用于專業(yè)舞臺上進行調光的基于雙Z型網(wǎng)絡的程控智能正弦波調光器。雙Z型網(wǎng)絡為雙Z型驅動電路，采用隔離驅動電源，具有強大的IGBT驅動與保護功能，設置最佳的短路閥值、保護盲區(qū)時間，使IGBT獲得最好的開關關斷性能，在發(fā)生過流或短路故障時能迅速做出保護動作，避免熱極限發(fā)生擎柱效應損壞器件。同時結合強大的微處理器實現(xiàn)軟件生成法生成SPWM，實現(xiàn)精確控制，得到理想的正弦波輸出。

其技術特點如下：調光控制器的控制信號經(jīng)過主處理器輸送給芯片，電流傳感器對智能正弦波調光器輸出電流進行采樣，然后，電流傳感器的采樣信號通過高速A/D轉換器把電流信號轉換為數(shù)字信號輸送給主處理器，主處理器將數(shù)字信號輸送給芯片，芯片對輸出電流信號進行調制，使調光器與負載燈具達到最佳的匹配。

圖3 系統(tǒng)硬件處框圖

圖4 調光控制流程圖

系統(tǒng)的硬件處理框圖見圖3，調光控制流程圖見圖4。

控制原理：基于一個經(jīng)驗曲線加模糊智能判別來實現(xiàn)最佳的燈具調光特性。在有調光信號輸入時，判斷用戶調光意圖，然后根據(jù)用戶調光意圖，選擇一條最佳的輸出曲線進行輸出。同時，以20 kHz以上的頻率的對輸出電流過行采樣，通過電流變化的曲線和調光輸出曲線進行對比，判斷燈泡的狀態(tài)（冷態(tài)或熱態(tài)）動態(tài)調節(jié)調光輸出曲線，使燈泡工作在最佳的加熱曲線上，達到冷態(tài)燈泡快速點亮，同時也不會過流燒斷和引起過調光器過流及短路保護誤動的效果。

此控制網(wǎng)絡不僅能達到可控硅的調光響應速度，而且由于采用負載智能匹配，使冷態(tài)光源的沖擊峰值電流大大減少，由此減少大功率舞臺調光在啟動瞬間的沖擊電流，減少對電網(wǎng)的沖擊，從而大大減少了誤跳閘的機率，延長了燈具的使用壽命。

2.3.1 技術特性解析

智能正弦波調光器中設計采用的脈寬調制（PWM）與IGBT分時控制技術相結合原理是：

每臺調光單元采用兩個獨立控制回路的開關管以并串接方式運用倍頻式IGBT分時控制，每個控制單元由二個獨立控制回路的開關管組成，即每個橋臂采用兩個IGBT并聯(lián)，工作中這二個橋臂開關管采用周期分時控制，各自分擔一半的功率，使IGBT的工作頻率和開關損耗減小了一半，從而降低了開關管的熱損耗，也進一步確保了開關管工作的可靠性。

設計中采用的周期分時控制技術實現(xiàn)調光輸出，能有效地降低散熱成本、電能損耗、提高IGBT開關管工作時的可靠性，也進一步提高了工作效率。實現(xiàn)AC-AC純正弦波的調幅輸出電壓，它可調節(jié)0～220 V的標準交流正弦波輸出驅動負載，拓展了舞臺載體的可控范疇。調光工作時，因吸收電網(wǎng)電能是正弦電流，也就大幅降低電網(wǎng)及輸出諧波含量，由于其工作在高頻開關狀態(tài)，又可減小無源濾波元件的體積，進一步降低產品成本，提高產品性能。

2.3.3 電路控制特點

電路系統(tǒng)的輸入管理特點：頻率跟隨全程采樣，因此，能夠在很寬的電源頻率范圍內工作；獨特輸入信息處理技術，不會因接觸不良、移相等現(xiàn)象而損壞調光器。

電路系統(tǒng)的輸出管理特點：諧波實時控制技術，使主回路中的電感器靜音工作。高性能的IGBT驅動電路能夠減小開關延時，降低開關損耗，在發(fā)生過流或短路故障時能夠迅速做出保護動作，允許輸出任何方式任意短路并自動恢復。

調光器管理控制特點：整個控制系統(tǒng)數(shù)字化，信息集中管理，采用軟件生成法生成SPWM波形，實現(xiàn)精確控制。

調光器用戶操作特點：多種工作模式供用戶選擇，允許所有設置和修改熱操作而不影響系統(tǒng)正常運行。

調光器網(wǎng)絡接口特點：可靠的熱拔插通信接口，兩個并列DMX512接口；一個高速雙工接口，方便系統(tǒng)網(wǎng)絡化控制管理。

調光器產品生產特點：產品生產過程中不需要半成品的多次配合調試，整機一次合成，達到高質量工作設計要求，方便生產。

3 技術應用前景

目前，本項目成果——智能正弦波調光柜已正式批量生產并進入市場，產品的各項性能指標均達到國際標準，而價格比同類的國外產品低五成左右。目前批量生產有四個系列十幾個品種，既有高端產品也有小型壁掛型產品，功率輸出由2 kW到6 kW。為了滿足不同行業(yè)的用戶需求，更大輸出功率的智能正弦波調光產品不久也將陸續(xù)推出。